2.2 荷载种类和组合

地下空间结构在建造和使用过程中均会受到各种荷载的作用，地下空间建筑的使用功能也是在承受各种荷载的过程中实现的。地下空间建筑结构设计就是依据所承受的荷载及其组合，通过科学合理的结构形式，使用一定性能、数量的材料，使地下空间结构在规定的设计基准期内以及规定的条件下，满足可靠性的要求，即保证地下空间结构的安全性、适用性和耐久性。因此，在进行地下空间结构设计时，首先要准确地确定地下空间结构上的各种工况作用。

2.2.1 地下空间结构荷载

地下空间结构与地面结构物（如房屋、桥梁）一样，也是一种结构体系，进行地下空间结构设计时的首要问题就是确定荷载。但由于地下空间结构在赋存环境、力学作用机理方面与地面结构物不同，因此所承受的荷载也有所不同。地下空间结构没有风荷载且抗震性能好，受地震作用小，在一般情况下不必进行抗震验算，仅采取构造措施即可。但地下空间结构具有地面结构所没有的围岩压力、地下水压力等，对地下空间防护结构，还需考虑核武器和常规武器的爆炸荷载。

作用在地下空间结构上的荷载，按其存在的状态，可以分为下列4类：

（1）静荷载。静荷载又称恒载，是指长期作用在地下空间结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如围岩压力、地下水压力、结构自重、固定的设备或设施等。

（2）动荷载。动荷载主要指要求地下空间防护结构需考虑核武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力所产生的荷裁，这是瞬时作用的动荷载。动荷载还可能有地震波作用下的荷载和长期震动产生的荷载。

（3）活荷载。活荷载指在地下空间结构物施工和使用期间存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化，如作用在地下空间结构楼板上的人、物品、设备、交通等荷载以及施工安装过程中的临时性荷载、移动荷载等。

（4）其他荷载。其他荷载指除以上主要荷载外，还有可能发生的荷载，如材料收缩、温度变化、不均匀沉降等使地下空间结构产生内力。这些因素对地下空间结构内力的影响都比较复杂，往往难以进行确切计算，一般以加大安全系数和在施工、构造上采取措施来解决。

2.2.2 荷载组合

对于一个特定的地下空间结构，上述几种荷载不一定同时存在，设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合。荷载组合是指将可能同时出现在地下空间结构上的荷载进行编组，取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值作为设计依据。

上述4类荷载对地下空间结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。荷载组合方案有：

（1）静荷载。

（2）静荷载+活荷载。

（3）静荷载+动荷载（一次单独作用）。

（4）静荷载+炮（炸）弹局部冲击作用荷载（一次单独作用）。

（5）静荷载+核爆炸荷载+上部建筑物自重或倒塌荷载。

这里的倒塌荷载指附建式防护结构的地面建筑被炸塌而堆积在浅埋地下结构上所发生的荷载。

上述荷载组合针对不同的结构采用不同的组合方案，如单建式浅埋大跨度防护结构、无防护结构采用（2）项，整体小跨度国防工事采用（4）项，附建式防护结构采用（5）项。同样，对于同一结构的不同构件，由于所受荷载不同，采用的荷载组合方式不同，如直接承受核爆炸荷载的外部构件采用（3）项，不直接承受核爆炸荷载的内部构件采用（2）项。

近年来，我国的结构设计方法已逐渐从传统的破损阶段法或容许应力法向先进的概率极限状态法过渡。随着对概率极限状态法研究的不断深入，人们已普遍认识到，采用可靠性理论和推行概率极限状态设计法，是国内外工程结构设计发展的必然趋势，也是提高我国工程结构设计水准的有效途径。因而，在地下空间结构设计中采用概率极限状态法也是符合这一发展趋势的。但由于结构可靠度设计计算方法是建立在统计分析基础上的，而目前对上述各类作用的研究，如围岩压力、公路铁路活载、街道活载、施工荷载等，尚不够全面和深入，对于相应的地下空间结构设计计算，还需要采用以往的方法作为完善可靠度设计方法前的过渡，因而在一些新的地下空间结构设计规范中，还保留了早期规范中对荷载和结构计算中的一些规定。也就是说，在目前的地下空间结构设计计算中，概率极限状态法、破损阶段法或容许应力法仍然并用，因此，在进行作用组合时，也必须根据采用的计算方法的不同而选择相应的作用（荷载）组合方式。

当整个地下空间结构或其一部分超过某一特定状态，且不能满足设计规定的某一功能要求时，则称此特定状态为地下空间结构对该功能的极限状态。设计中的极限状态往往以地下空间结构的某种荷载效应，如内力、应力、变形、裂缝等超过相应规定的标准值为依据。根据设计中要求考虑的地下空间结构功能，其极限状态可分为两大类，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。对承载能力极限状态，一般以地下空间结构的内力超过其承载能力为依据；对正常使用极限状态，一般是以地下空间结构的变形、裂缝、振动参数超过设计允许的限值为依据。

根据所考虑的极限状态，在确定其荷载效应时，对所有可能同时出现的诸荷载作用加以组合，求得组合后在地下空间结构中的总效应。考虑荷载出现的变化性质，包括出现与否和不同的方向，这种组合可以多种多样，因此还必须在所有可能的组合中取最不利的一组作为该极限状态的设计依据。

（1）对于承载能力极限状态，应采用荷载效应的基本组合或偶然组合进行设计。

承载能力极限状态是指地下空间结构或构件达到最大设计能力或达到不适于继续承载的较大变形的极限状态。应采用式（2-2-1）的设计表达式进行设计，即

式中 γ0——结构重要性系数，一般常用地下空间结构可取为1.0，大跨度极复杂结构应按实际设计条件分析确定；

S——荷载效应组合的设计值；

R——结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。

1）荷载效应的基本组合。对于基本组合，荷载效应的组合设计值S应从下列组合值中取最不利的值：

①由永久荷载效应控制的组合，有

②由可变荷载效应控制的组合，有

式中 γG——永久荷载的分项系数；

——可变荷载Q1的分项系数；

——按永久荷载标准Gk计算的荷载效应值；

——按可变荷载标准Qik计算的荷载效应值，其中为可变荷载效应中起控制作用者；

——可变荷载Qi的组合值系数；

n——参与组合的可变荷载数。

2）荷载效应的偶然组合。偶然组合指永久荷载、可变荷载和一个偶然荷载的组合。

偶然荷载的代表值不乘分项系数，与偶然荷载同时出现的其他作用可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。

（2）对于正常使用极限状态，应根据地下空间结构不同的设计状况分别采用荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计。

正常使用极限状态是指地下空间结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。可以根据不同的设计要求，采用荷载的标准值或组合值为荷载代表值的标准组合；也可以将可变荷载采用频遇值或准永久值为荷载代表值的频遇组合；或将可变荷载采用准永久值为荷载代表值的准永久组合，并按式（2-2-4）进行设计，即

式中 C——结构或构件达到使用要求的规定限值，如变形、裂缝等的限值。

当永久作用效应对承载能力起有力作用时，其分项系数可取为1.0。

一般来说，在地下空间结构的荷载组合中，最重要的是结构的自重和地层压力，只有在特殊情况下（如地震烈度达到7度以上的地区，严寒地区具有冻胀性土体的洞口段衬砌）才有必要进行特殊组合（主要荷载+附加荷载）。此外，城市中的地下空间结构常常根据战备要求，考虑一定的防护等级，也需要按瞬时作用的特殊荷载进行短期效应的荷载组合。

地面建筑下的地下室，在考虑核爆炸冲击波荷载作用时，地面房屋有被冲击波吹倒的可能，结构计算时是否考虑房屋的倒塌荷载需按有关规定处理。

由于地下空间结构的类型很多，使用条件差异较大，不同的地下空间结构在荷载组合上有不同的要求，因而在荷载组合时，必须遵守相应规范对荷载组合的规定。下面以铁路隧道为例，说明荷载组合的过程。

《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2005/J 449—2005）中规定，当采用概率极限状态法设计隧道结构时，隧道结构的作用应根据不同的极限状态和设计状况进行组合。一般情况下，可按作用的基本组合进行设计，基本组合可表达为：结构自重+围岩压力或土压力。

基本组合中各种作用的组合系数取1.0，当考虑其他组合时，应另行确定作用的组合系数。

当采用破损阶段法或容许应力法设计隧道结构时，应按其可能的最不利荷载组合情况进行计算。

明洞荷载组合时应符合下列规定：

1）计算明洞顶回填土压力，当有落石危害需验算冲击力时，可只计洞顶填土重力（不包括塌方堆积体土石重力）和落石冲击力的影响。

2）当设置立交明洞时，应分不同情况计算列车活载、公路活载或渡槽流水压力。

3）当明洞上方与铁路立交、填土厚度小于1m时，应计算列车冲击力；洞顶无填土时，应计算制动力的影响。

4）当计算作用于深基础明洞外墙的列车荷载时，可不考虑列车的冲击力、制动力。

此外，公路、城建等行业也结合其行业地下空间工程的特点，对其荷载组合作出了相应的规定，在进行具体的设计计算时，应遵守相应的规范和规则。

我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载参见表2-2-1和表2-2-2。

2.2.3 荷载确定方法

荷载的确定一般按其所在行业的规范和设计标准确定。

1.使用规范

当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范。

2.设计标准

（1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定作用在地下建筑物的荷载。此外，各种地下建筑结构均应承受正常使用时的静力荷载。

（2）地下建筑结构材料的选用，一般应满足规范和工程实际要求。

（3）地下空间结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布。

（4）截面计算原则。进行结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。

钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，除强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，限制裂缝宽度小于0.10～0.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较重要的结构则不能开裂，即需要验算抗裂度。

钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不作裂缝验算，因在爆炸情况下，只要求结构不倒塌，允许出现裂缝，日后再修固。

（5）安全系数。结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。

对于地下空间结构，如施工条件差、不易保证质量和荷载变异大时，对混凝土和钢筋混凝土结构需考虑采用附加安全系数1.1。

静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性可予以提高。

结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。

（6）材料强度指标。一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，也可根据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。

结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关规定。